（信息与通信工程专业论文）acm检测系统硬件设计及基于emd算法信号分析.pdf

摘要 摘要 a c m ( a i rc y c l em a c h i n e ) 是飞机空调系统的重要部件，为保证其可靠工作， 需对其进行定期检测。为提高测试精确度和降低测试成本，设计了a c m 性能检测 系统。该测试系统主要实现6 路压力、6 路温度、2 路流量、1 路加速度、1 路位 移等模拟量的测量和记录，并根据测试需要设计p c i 电动阀控制卡调节阀门开口 大小，为测试系统提供合适的测量环境。 a c m 检测系统硬件部分主要有电源调理板、p c i 电动阀控制卡。其中电源调理 板主要包括：传感器供电模块、传感器信号调理模块、信号灯控制模块等。其中 供电模块通过整流桥和三端稳压后给传感器及温度变送器供电。信号调理部分主 要是把传感器送来的电流信号调理成适合采集卡采集的电压信号，并把部分传送 正负的电压信号转换成正的电压信号。控制信号灯模块利用采集卡输出的弱信号， 经过达林顿管后控制继电器的通断，根据信号灯的显示判断系统的运行情况。 为配合系统的实现，设计了基于p c i 总线，输出4 2 0 m a 的p c i 电动阀控制 卡。电动阀控制卡主要分为接口部分、控制部分、光电隔离部分和d a 转换部分； 控制程序用o u a r t u s i i 编写，利用j t a g 把控制程序在线烧写进c p l d ；p c i 电动阀 控制卡驱动的设计采用w i n d r i v e r 开发。 系统中采用的电涡流传感器输出信号反映a c m 涡轮轴振动状况，该信号包含 两个信息分量，一个是随转速一起变化的振动信号，称之为径向振动信号，它的 频率和转速频率相同；另一个是由a c m 涡轮机本身的机械特性所产生的振动信号， 通常称之为“低频振动信号”，主要是对低频振动信号分析。这里采用e m d ( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ，经验模态分解) 算法对低频振动分量进行分析， 通过仿真验证了e m d 算法对振动信号分析的有效性。 论文主要研究了整个测试系统的设计实现过程和相关的基本理论。通过现场 调试，设计的a c m 程控检测系统已经成功投入到波音7 3 7 、7 4 7 、3 2 0 、7 5 7 等机 型a c m 检测中，实践证明整个系统工作稳定，测量准确，操作简单方便，满足系 统设计要求。 关键词：信号调理，p c i 总线，p l x m o n ，w i n d r i v e r ，e m d 算法 a b s t r a c t a b s t r a c t a c m ( a i rc y c l em a c h i n e ) i sav e r yi m p o r t a n tp a r to ft h ep l a n sa i r - c o n d i t i o n s y s t e r r n ，w em u s tc h e c k - u pa c ma tr e g u l a ri n t e r v a l st om a k es u r et h es y s t e r mw o r k s w e l l i no r d e rt oi m p r o v et h ec h e c k u pp r e c i s i o na n dr e d u c et h ec o s t ，w ed e s i g n e dt h e a c mt e s ts y s t e r m t h es y s t e r mi sm a i nt e s tt h e s ev a l u e s ：s i xp a r t sp r e s s u r e ，s i xp a r t s t e m p e r a t u r e ，t w op a r t st h r o u g h p u t ，o n ep a r ta c c e l e r a t e ds p e e da n do n ep a r ts h i f t t o m a k es u r et h es y s t e r mc a nw o r ki nd i f f e r e n te n v i r o n m e n t ，w ed e s i g n e dt h ev a l v ec o n t r o l c a r d ，t h ec o n t r o lc a r dw i l lc o n t r o lt h ev a l v eh o wl a r g ei ts h o u d o p e n ，i nt h i sw a yp r o v i d e d i f f e r e n tt e s te n v i r o n m e n t t h eh a r d w a r e so fa c mt e s ts y s t e r ma r ei n c l u d e ：t h ep o w e r - s i g n a lm o d u l a t ec a r d ， t h ev a l v ec o n t r o lc a r d t h ep o w e r - s i g n a lm o d u l a t ec a r da r ei n c l u d et h e s ep a r t s ：t h e p o w e rp a r t ，t h es i g n a lm o d u l a t ep a r t ，t h es i g n a ll i g h tc o n t r o lp a r t t h ep o w e rp a r ti s m a i n l yd e s i g n e dt op r o v i d ep o w e rt ot h es e n s o r s a st h ec o l l e c tc a r dc a no n l yc o l l e c t v o l t a g es i g n a l ，t h es i g n a lm o d u l a t ep a r ti sm a i nc h a n g et h ec u r r e n ts i g n a l si n t ot h e v o l t a g es i g n a l s ，b e s i d e st h a ti ta l s oc h a n g eo t h e rv o l t a g es i g n a l sw h i c ha r en o ti nt h e r a n g eo ft h ec o l l e c tc a r di n t oi t sr a n g e t h es i g n a ll i g h tc o n t r o lp a r ti sm a i nc o n t r o lt h e s i g n a ll i g h tb yt h ec o l l e c tc a r dt h r o u g ht h ed a r l i n g t o na r r s y s ，t h eo p e r a tw o r k e r c a ne a s i l yk n o wt h e c o n d i t i o n so ft h ea c mt e s ts y s t e r mw i t ht h e s el i g h t s t oc o o p e r a t et h ea c mt e s ts y s t e r mw o r k ，w ed e s i g n e dt h ev a l v ec o n t r o lc a r d w h o s eo u t p u ti sc o n t r o l l a b l e4 2 0 m ac u r r e n t ，t h ec o n t o lc a r d si n t e r f a c ei sb a s eo np c i b u s t h ec o n t r o lc a r di sm a i n l yi n c l u d et h e s tp a r t s ：t h ei n t e r f a c ep a r t ，t h ec o n t r o lp a r t ， t h ei s o l a t ep a r ta n dt h ed ap a r t t h ec o n t r o lp r o g r a m m ei sd e s i g n e dw i t hq u a r t u s i i ， t h e nd o w n l o a dt h ep r o g r a m m ei n t oc p l dw i t hj t a g t h ed r i v ep r o g r a m m eo ft h e v a l v ec o n t o lc a r di sd e s i g n e dw i t hw i n d r i v e r t h es i g n a l so fe d d y c u r r e n ts e n s o ri nt h es y s t e r m r e p r e s e n tt h et w oi n f o r m a t i o n so f t h es y s t e r r n ，o n ei sa x e sq u i v e rs i g n a lw h i c hi sc o r r e s p o n dw i t ht h er o t a t es p e e d ；a n o t h e r i st h es y s t e r m so w nq u i v e rs i g n a l ，w ec a l li tl o wf r e q u e n c yq u i v e rs i g n a l ，w en e e d a n a l y s et h es e c o n ds i g n a l ，h e r ew ec h o o s et h ee m d a l g o r i t h mt oa n a l y s ei t d e s c r i b e d t h ee m d a l g o r i t h ma n dt h ed e c o m p o s i t i o nd e t a i l e d l y , a n dv a l i d a t e dt h ev a l i d i t yo f i i a b s t r a c t e m da l g o r i t h mi nt h eq u i v e rs i g n a l sa n a l y s e t h ea r t i c l ei sm a i nr e s e a r c h e dt h ed e s i g ns t e p sa n ds o m eb a s i cp r i n c i p l e so ft h e a c mt e s ts y s t e r m t h ea c mt e s ts y s t e r mh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di nt e s t i n gb o y i n 7 3 7 、7 4 7 、7 5 7 、3 2 0 ，t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea c m t e s ts y s t e r mw o r k e dv e r yw e l l ， a l lt h et e s tp a r a m e t e r sa r ef i tf o rt h ed e m a n d k e y w o r d s ：s i g n a lm o d u l a t e ，p c ib u s ，p l x m o n ，w i n d r i v e r , e m da l g o r i t h m i i i 图表目录 表1 - 1 图1 - 1 图2 - 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 4 图2 - 5 图2 - 6 图2 - 7 图2 - 8 图2 9 图2 - 1 0 图3 一l 图3 - 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 - 7 图3 8 图3 9 图3 - 1 0 图3 - 11 图3 一1 2 图3 - 1 3 图3 - 1 4 图3 - 1 5 图表目录 a c m 测试系统指标2 a c m 程控检测系统结构框图3 d c - 2 4 v 电压产生模块5 d c 1 5 v 电压产生模块6 4 - - 2 0 m a 电流转1 5 v 电压原理图7 振动信号调理放大电路7 转速传感器信号整形电路8 加速度信号调理电路9 r t d 信号调理逻辑框图1 0 电阻桥及激励示意图1 0 r t d 单通道放大电路1 l 继电器控制模块原理图1 1 p c i 电动阀控制卡系统框图1 5 p c i 9 0 5 2 的组成结构框图1 6 a d 4 2 1 内部结构1 7 p c i 总线系统结构图1 8 p c i 总线与p c i 9 0 5 2 连接图1 9 p c i 总线读逻辑时序2 0 p c i 总线写逻辑时序2 l p c i 9 0 5 2 单周期读逻辑2 1 p c i 9 0 5 2 单周期写逻辑2 l p c i 总线a 面引脚定义2 2 p c i 总线b 面信号定义2 4 p c i 9 0 5 2 与p c i 总线连接图2 5 p c i 9 0 5 2 与控制芯片连接图2 6 p c i 9 0 5 2 外部e e p r o m 连接图2 6 j t a g 下载线接头连接图2 7 v i i 图表目录 图3 1 6 图3 - 1 7 图3 - 1 8 图3 - 1 9 表4 - 1 图4 - 1 图4 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 - 6 图5 - 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 - 5 图5 - 6 图5 7 图5 - 8 图5 9 图5 1 0 e p m 7 1 2 8 s 连接电路图2 7 a d 4 2 1 电流环电路图2 8 光耦原理及两种使用方法2 9 光耦及a d 4 2 1 外围电路图2 9 配置空间头标区3 1 空白e e r o m 为默认值全1 3 3 烧录进配置值后情况3 3 两路信号仿真波形3 5 w i n d r i v e r 体系结构图3 6 w i n d r i v e r 开发驱动基本流程3 8 p c i 设备的w i n d r i v e ra p i 典型调用顺 序3 9 经验筛选法过程图解4 5 重复筛选效果的图解4 6 e m d 分解步骤及结果4 8 i m f 和函数与原函数的差别4 9 采集振动信号图5 0 振动信号e m d 分解图5 l k 与平均包络对应关系图5 1 i m f l 分量与其频谱图5 2 i m f 2 分量与其频谱图5 2 i m f 分量时频图5 3 v i i i 缩略词表 一_ 一 a c m p c i c p l d j t a g e m d i m f a i rc i r c l em a c h i n e 缩略词表 p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n i n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n i x 空气循环机 外围部件互连 复杂可编程逻辑器件 联合测试行动小组 经验模态分解 本征模函数 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：他日期：溺年厂月珏曰 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：鱼垡地： 导师签名： 第一章绪论 1 1 选题背景及课题意义 第一章绪论弟一早三百t 匕 我国民用航空业随着国民经济的增长，正在以高增长率发展，民用航空业的 繁荣也促进了民航维修业的发展。我国的航空维修市场呈以下特点：送国外修理 的数量占全部修理量的约6 0 ，国内送修只占全部送修量的约4 0 ，随着国内送修 量的增加，国内航空维修市场的发展空间巨大【l 】【2 1 。由此可知，国内航空维修市场 容量巨大，但国内航空维修公司占有的业务量偏低。这主要源于国内许多航空机 载设备维修公司缺乏先进的维修技术和检测设备，没有相应的机载设备检修资质。 随着新技术在机载设备中的使用，就需要更为先进的检测技术和检测设备。引入 自动测试、虚拟仪器等先进技术，研制开发具有数字化、智能化、高精度、高稳 定性和高可靠性等特点的机载设备检测系统，利用状态检测系统实现设备运行状 态的集中管理、集中分析，必将极大的提高设备维修人员的工作效率，同时对设 备进行实时状态检测可以产生巨大的经济效益，这样具有实用性的检测系统，无 论在经济上还是技术上，都是有积极的现实意义。 为此我们在某公司的配合下，研制了a c m 程控检测系统，该系统不仅功能完 善、可靠性高；还可节省人力、降低成本、减轻劳动强度、改善劳动环境；可减 少测量时间、提高工作效率；a c m 程控检测系统，可提高测量数据精度及可靠性， 为航空维护提供强有力的保证。本系统脱离传统手工测量落后局面，进入自动化、 智能化测量新时代，提高企业形象和在市场中的竞争力。 1 2a c m 检测系统介绍 1 2 1a c m 检测系统功能 测试仪能对a c m 的运行状态进行检测、诊断及报警。 测试仪可根掘要求对整个系统的温度、压力、流量、转速及振动等参数进行 不间断检测、显示与记录。 能根据测试要求自动调整阀门开度，根据要求实现各种测试环境。 电子科技人学硕士学位论文 具有显示内容全面、人性化的操作界面。 根据测试结果可生成报表，根据报表和参数理论指标能快速判断测试结果。 1 2 2a o m 检测系统技术指标 a c m 检测系统研制的依据是a c m 生产厂家h o n e y w e l l 公司提供的测试要求和技 术参数 2 1 。比如按照b 7 3 7 一a c m 测试要求，本系统需达到的技术指标如表1 - 1 所示。 表1 - 1a c m 测试系统指标 类别参数要求设置值要求误差 压气机进口p 5 ( p s i a ) 6 5 。0 - j ：4 0蛀0 1 压气机出口p 6 ( p s i a ) 实际记录 如1 压气机出口到涡轮进口p 6 p 2 ( p s i a ) 4 o 士2 o 土o 1 功 涡轮出口p 3 ( p s i a ) 1 5 2 士0 5 士o 1 风扇进口p 7 ( p s i a ) 环境压力 能 风扇出口到风扇进口压差p s - p ， 3 9 4 士2 5 - 4 - 1 ( m m h 2 0 2 ) 测 压气机进口温度t 5 ( ) 1 1 2 3 士1 涡轮进口温度7 2 ( )8 7 士3趾l 试 风扇进口温度1 7 ( )环境( 4 8 9 m a x ) 士l 转速( r p m )5 3 ，7 0 0 土1 0 0 压气机进口空气流量w 5 ( 磅分) 7 1 0 - j ：3 士l 涡轮出口温度t 3 ( ) 9 压气机出口温度t 6 ( ) 1 7 7 平衡涡轮端轴径向偏移 检测 在6 5 ，0 0 0 r p m ( 峰一峰值r n m ) 实际记录 3 a5 y 1 0 ： o ：z ! i ：- 4 k s ! j 。；工6 5 3 y4 a 9 = 。+ + 1 。v 。j 。a4 m “+ 。1： 矗g n d78 ： ，：一_ g n d4 y ： ，。7 4 r c t 4 ；? j 。： 。”“。 。： r 4 r j 口- ； ：咖 it ”一 图2 5 转速传感器信号整形电路 第二章l 乜源信号调理板硬件设计及调试 2 2 4 加速度传感器信号调理电路设计 加速度传感器信号输出电压范围是一5 v + 5 v ，在采集卡中设立的是o , - - 一5 v 和 o - - - , l o v 的量程，可以用软件对电压信号处理，但为方便要求在硬件上直接实现信 号转换，利用硬件电路直接把一5 v + 5 v 信号转换成o , - - , 5 v 信号，其实现电路如图 2 - 6 所示。 图2 6 加速度信号调理电路 加速度传感器输出信号经过一个4 7 0 u f 的电容隔离后送入运放，通过0 p 2 7 跟 随送到输出级，经过r 4 ，r 5 分压在a 点变成一2 5 v + 2 5 v 的交流信号，再通过耦 合电容c 3 送到输出点b ，这里有分压得到的d c 2 5 v 电压，所以把一2 5 v + 2 5 v 交流信号叠加到该点就形成了o 5 v 的信号了。需要注意的是，对于交流信号， 电容相当于导线，所以r 6 和r 7 的值要远远大于r 4 和r 5 的值，否则r 4 与r 6 并 联后与r 5 相差将比较大，致使a 点电压范围不是一2 5 v + 2 5 v 的交流信号，这将 导致转换后的电压不在o , - - - 5 v 的范围内。 2 2 5 温度传感器信号调理电路设计 最常用的测温传感器是用铂、铜等制成的热电阻温度计( r t d ) ，其中铂热电 阻的特性最为稳定，非线性小，测温范围宽，本系统采用铂制成的温度传感器。 从热电阻温度传感器直接得到的是随温度变化的电阻变化值，要使这种阻值 变化量变成采集系统能接受的电压变化量，需要迸行信号调理，通常经过电阻桥 的变换、放大和滤波等处理后来满足需要【l0 1 。图2 9 为典型的单通道温度传感器 信号调理逻辑框，每个通道都由电阻桥、前置放大器和缓冲及滤波级组成。 9 电子科技入学硕十学位论文 图2 7r t d 信号调理逻辑框图 图2 9 中r t d 采用三线制连接方式。现场r t d 连接导线一般很长，引线电阻和 共模干扰的作用不可忽视。为了有效地消除导线电阻的影响和抑制共模干扰的作 用，要求图2 9 中r t d 连接到电阻桥的两根导线的材料、线径、长度和温度分布 特性尽量保持相同。通道的放大电路由两级组成，前级为低漂移的运放组成差分 双端输入前置放大器，它可进一步抑制共模干扰；第二级是缓冲及滤波放大器，它 的输出阻抗低，负载能力强，并有低通滤波作用。 + 1 5 v v o l v 0 2 图2 - 8 电阻桥及激励示意图 电阻桥是将热电阻的阻值变化量转变成电压变化量，它是通道的核一t i 部位。电 阻桥的示意图如图2 8 所示。电阻桥的桥臂电阻r 1 、r 2 、r 3 都采用了精密电阻， 在a c m 程控检测系统设计中其阻值为2 0 0 q 。热电阻r t d 和可调电阻r a 作为电桥 的一个桥臂，r a 是零位调节电阻。另外，激励电流的大小也要正确选择，选得过 大，热电阻产生的自身加热会给温度测量带来误差，选得过小容易受干扰的影响。 一般激励电流要求小于5 m a 。 图2 9 为单通道铂热电阻放大电路p c b 图，该电路中的v 0 1 和v 0 2 输入端口 分别连接到电阻桥的输出线v 0 1 和v 0 2 。图中采用高性能低噪声运放0 p 2 7 构成放 大电路。前一级为差分放大电路，放大增益为1 0 ，后一级放大电路的增益由r f 确 l o 第二章电源信号调理板硬件设计及凋试 定。a c m 程控检测系统需要使用两路测量范围为一5 0 1 0 0 。c 的温度传感器和四 路测量范围为0 。c 3 0 0 c 的温度传感器。温度传感器经信号调理后的电压为o 5 v 。对应于测量范围为一5 0 1 0 0 。c 的温度传感器，其第二级放大电路的增益为 7 7 ，设计时r f 的阻值要求调整为7 7 k ；对应于测量范围为0 。c 3 0 0 。c 的温度传 感器，其第二级放大电路的增益为4 ，设计时r f 的阻值要求调整为4 0 k 。 一! 彳- ：”：- 。l i7 i j j 。：啪。哪：i ：7j 一：ji ? 图2 - 9r t d 单通道放大电路 2 3 继电器控制信号灯模块 d o u t ll一1 6outl：1l l 2 i n l0 u t l 3 i n 20 u t 2_ _ _ _ _ - - ；：- _ - _ _ _ - 。_ _ _ 。l 4 i n 3o u t 3 1 4：l i _ _ _ _ _ _ 。”一v u ll 5 i n 4o u l 4 1 3 i l i n 5o u t 5 6 i n 6o u t 6 i n 7 0 u t 7 ! !；： i a o n d8 g n dc f w d 图2 一l o 继电器控制模块原理图 为了便于工作人员操作，系统的控制台设计了几个灯，根据不同的灯亮来判 断系统的工作状态。控制信号由工控机通过采集卡传送到电源信号调理板，但是 采集卡的输出信号高电平是5 v ，要控制继电器达到控制灯的目的，把采集卡输出 的5 v 弱电信号通过达林顿管隔离后输出控制继电器。其中达林顿管选用u l 2 0 0 3 1 1 】， 电路连接原理图如图2 一所示：其中d o u t l 为采集卡输出的一路控制信号，经达林 顿管的输出信号0 u t l 与继电器的l 脚连接，u l n 2 0 0 3 的9 脚1 2 v 和继电器的4 脚 电子科技人学硕士学位论文 相连，继电器的5 脚和2 2 0 v 交流的一个脚相连，继电器2 脚的输出直接和信号灯 相连，与5 脚形成回路。 2 4 调试心得 通过对电源信号调理板调试，发现设计中和调试中存在一些问题： ( 1 ) 可调电阻用的库中自带封装v r 5 ，但是和现实中的可调电阻的脚不对应， 封装的l ，2 ，3 脚分别对应现实中可调电阻的l ，3 ，2 。 ( 2 ) 2 2 0 0 u f 电容的封装用的是库中的r b 2 4 ，但是焊接时发现孔小了，测 量才发现孔径只有2 8 m i1 ，而2 2 0 0 u f 电容管脚基本是3 0 m il ，建议把封装孔径改 为3 5 m i l 。 ( 3 ) 输出d c 一1 5 v 模块上电后，发现7 9 1 5 很热，赶快断电，测量发现7 9 1 5 电 源和地是连通的。初步判断是某个焊点和敷铜相联了，经过仔细检查，发现没有 这种情况；又判断可能是某个一1 5 v 电源脚的滤波电容短路，通过查找终于发现当 拔掉其中一个电容后，电源和地不再连通了。重新上电又发现7 9 1 5 很烫，测试发 现电源脚和地脚又短路了，由于焊接前已经排除电容质量问题，肯定是电路板本 身有问题，经过查看原理图发现原来我把这个节点电容的正负极性画反了，更正 后，整个电源板正常工作2 小时未发现问题。 ( 4 ) 利用0 p 2 7 把加速度传感器信号从一5 v + 5 v 转到o - - - 5 v 的电路调试中存 在一些问题，原来是把直流分压放在运方前级，把交流信号经过一个4 7 0 u f 的电 容接到分压点( 5 v ) ，这样全变成正电压，再利用后级比例放大变成o - - - 5 v ，但在 调试中发现交流信号和理论情况相符合，直流信号却在接通交流信号后由原来的 5 v 变成了3 8 v ，分析觉得可能是隔直电容的绝缘电阻不够大，但换了很多其他材 料的电容仍然是基本相同的情况，最后为了增加绝缘电阻，就在电容靠近交流测 串联一个电阻，结果发现直流信号正确，但交流信号由于分压作用达不到预期值， 经过很多次的试验，用不同型号的电容和电阻进行试验始终找不到一个合适的平 衡点。最后通过和老师讨论，老师建议在运方前级直接通过一个电容接交流信号， 经过比例放大后，在后级利用上述同样的方法提供直流电压参考点，再通过隔直 电容把交流电加载到这个直流电压平衡点上，通过在面包板上做试验，发现这种 方法果然要比原来的效果好，尽管直流电压仍然会有些下降，但可以满足设计要 求。具体电路图参考图2 6 。 ( 5 ) 现场调试笔记：发现有一个阀门输出始终是4 m a ，换成其他的机型软件控 1 2 第二章电源信号调理板硬件设计及调试 制系统仍然是同样的结果，由于控制卡是8 路的，而现实中只用了7 路，其中一 路预留，便把数值不变的那一路换成了预留的一路，经过换通道测得结果正确， 最后发现原来是硬件文档对应通道有问题，焊接时按照错误的硬件文档的通道对 应关系焊接的。 2 5 本章小结 本章介绍了a c m 程控检测系统电源信号调理板硬件部分的设计。首先介绍了 整个系统供电模块设计；接着介绍了信号调理模块的设计，给出了电流信号转电 压信号电路设计、涡轮轴径向振动信号调理电路设计、转速传感器信号调理电路 设计、温度传感器信号调理电路及继电器控制电路模块设计；最后通过调试，把 调试中发现的问题指出并给出解决办法。 电子科技大学硕士学位论文 第三章基于p ci 总线的电动阀控制卡硬件设计及调试 a c m 程控检测系统包括8 路阀门：冷水进口阀门、压气机进口阀门、换热气 热气进口阀门、换热气旁路阀门、换热气冷气进口阀门、涡轮出口排气阀门、风 扇调节口阀门、备份阀门，要求设计电动阀控制卡产生8 路4 2 0 m a 电流来控制阀 门的开度。阀门的开度为o 9 0 度，对应于4 2 0 m a 电流，由于采用的工控机的插 槽是基于一种高性能局部总线p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e r ) 总线【1 2 】 的，所以需要基于p c i 总线的电动阀控制卡。 3 1p c i 电动阀控制卡功能介绍 p c i 总线与处理器及时钟频率无关，可以提供极高的数据传送速率( 3 3 m h z 总 线时钟、3 2 位数据通路时，最大传输率为1 3 2 m b i t s ) ；p c i 总线具有地址数据多路 复用的高性能3 2 位或6 4 位的同步总线，可适用于各种平台，支持多处理器和并发 工作；p c i 总线规范严格，具有良好的兼容性，对p c i 扩展卡及元件能够自动配置， 实现设备的即插即用；p c i 总线还具有良好的可扩展性，通过p c i p c i 桥路，可无限 地扩展。 实现p c i 总线接口电路，目前一般有两种方案：使用可编程逻辑器件( p l d ) 和p c i 专用桥接芯片组。鉴于p c i 总线协议的复杂程度，如果使用可编程逻辑阵列 芯片来完成p c i 协议，虽然其灵活性较高，但其开发周期长，难度较大，而通用的 p c i 接口芯片功能较全，对p c i 协议具有良好的支持，可实现p c i 规范要求的接口信 号和配置寄存器，能够减少开发时间和成本，并获得较好的数据传输性能。电动 阀控制卡采用用户多、技术成熟的接口控制芯片p c i 9 0 5 2 1 3 】。控制卡的系统框图大 致分为接口部分、控制部分、光电隔离部分、d a 转换部分等，p c i 电动阀控制卡 系统框图如图3 - 1 所示。控制卡的具体功能是：要实现上位机控制的8 路、1 6 位精 度输出的4 2 0 m a 的电流，用c p l d 通过p c i 9 0 5 2 控制通信，c p l d 的输出通过光电隔 离后采用s p i 总线经光耦与后面d a 芯片相连，当工控机发送数据时，根据地址c p l d 进行选择输出，同时c p l d 要对上位机发出的并行数据转换成串行数据以满足后面 a d 4 2 1 的要求。后续章节将会对各个模块芯片和硬件设计进行详细的讲解。 1 4 第三章基于p c i 总线的电动阀控制卡硬什设计及调试 控制信号 控制信号 l 。j 1 ，一 ：p c i p c i e p m r b u s9 0 5 27 1 2 8 s 并行数据并行数据 地址 地址冁； 晤 释： 苷 二= 妲i o _ n 皇 输出4 - 2 0 m a l l 光电隔离隔离 a d 4 2 1 n 3 2 主要器件介绍 图3 - 1p c i 电动阀控制卡系统框图 3 2 1 接口芯片p c l9 0 5 2 介绍 p c i 9 0 5 2 是p l x 技术公司为扩展适配板卡推出的低价位p c i 总线接口芯片，低 功耗，p q f p1 6 0p i n s 封装，符合p c iv 2 1 规范，它的本地总线l o c a lb u s 可以 通过编程设置为8 位、1 6 位、3 2 位的复用或非复用模式【1 3 】总线。其主要特点如下： ( 1 ) 异步操作：l o c a lb u s 与p c i 总线的时钟相互独立运行，两总线的异步运 行方便了高、低速设备的兼容。l o c a lb u s 的运行时钟频率范围o 4 0 m h z ，p c i 的 运行时钟频率范围o 3 3 m h z ，总线传输速率可达1 3 2 m b s 。 ( 2 ) 串行e e p r o m 接口：p c i 9 0 5 2 通过该接口从e e p r o m 芯片中加载各种寄存器 配置信息。 ( 3 ) 总线驱动：所有的控制、地址和数据信号都由p c i 9 0 5 2 直接生成，用于驱 动p c i 总线和本地总线，不用额外的驱动电路。 ( 4 ) 四个本地片选信号：p c i 9 0 5 2 提供了四个的本地片选信号，每个片选信号 的基地址和范围都可以通过e e p r o m 芯片或主机独立设置。 ( 5 ) 五个局部地址空间：每个局部地址的基址和地址范围及其映射可以由串行 e e p r o m 或主控设备进行编程。 ( 6 ) 中断产生器：由本地总线的两个中断信号可以产生一个p c i 中断信号 i n t a # 。 ( 7 ) 本地总线等待状态：p c i9 0 5 2 含有一个内部等待产生器( 包括地址到数据 周期、数据到数据周期和数据到地址周期的等待) 。 电子科技大学硕十学位论文 ( 8 ) p c i 锁定机制：主控设备可以通过锁定信号独占对p c i 9 0 5 2 的访问。 p c i 9 0 5 2 是由p c ib u s 接口逻辑、本地总线接口逻辑、串行e e p r o m 接口逻辑 和内部逻辑组成，其内部逻辑框图如图3 - 2 所示。 i l 命 本地 i 0 h 控制 黔叫接口逻辑n 心总线 i糨 内部v 接口 犷_ 盾 乡 逻辑 逻辑 鲁 幡 串行e e p r o ml 扒 咖 存储 e e 串p r 行o ml 叫接口逻辑 厂v 控制 弋7 图3 - 2p c i 9 0 5 2 的组成结构框图 3 2 2 控制芯片e p m 7 1 2 8 s a l t e r a 的e p m 7 1 2 8 s 【1 4 】是基于第二代m a x 结构体系的高性能e e p r o m 结构的c p l d ， 完全符合i e e e1 1 4 9 1j t a g 边界扫描标准，具有5 vi s p 的功能，具有最d 、s n s 的引 脚到引脚的逻辑时延，最高可达1 7 5 4 m h z 的计数频率，每个宏单元都有独立的可 编程电源控制，最多可以节省5 0 的功耗，宏单元内的寄存器具有单独的时钟和复 位等信号。 e p m 7 1 2 8 s 的主要特点是：( 1 ) 器件可选择开漏输出。带有独立清零、预置、 时钟和时钟使能控制的可编程宏单元触发器，可编程的节点模式，每个宏单元可 节省5 0 的功率。( 2 ) 可配置的扩展乘积项分配，允许每个宏单元拥有多达3 2 个 乘积项，为保护设计者所有权而设的可编程加密位，引脚电流- 2 5 m a - - - 一+ 2 5 m a 。( 3 ) 编程下载电缆：支持b i t b l a s t e r t m 串行下载电缆、b y t e r b l a s t e r m v t m 并行口下载 电缆( 常用) 、m a s t e r b l a s t e r t m 串行通用串行总线( u s b ) 下载电缆。( 4 ) 四个 全局输入脚g c l k l 、o e 2 ( g c l k 2 ) 、o e l 、g l c r n ，外部时钟一般接g c l k l 脚，不用的 全局输入脚接地。( 5 ) 标准的j t a g 接口是4 线：t m s 、t c k 、t d i 、t d o ，分别为模 式选择、时钟、数据输入和数据输出线，这几个脚接线一定要注意，不同型号的 c p l d 处理不一样，e p m 7 1 2 8 s 要求：t c k 用1 k 电阻下拉，t d i ，t m s 用l k 电阻上拉，否 则可能导致下载不成功。 第三章基丁p c i 总线的电动阀控制 硬件设计及调试 3 2 3d a 芯片a d 4 2 1 a d 4 2 1 1 5 】是美国a d i 公司推出的一种单片高性能数模转换器件，它由电流环 路供电，1 6 位数字信号以串行方式输入，4 一- - 2 0 m a 电流输出。a d 4 2 1 内部含有电压 调整器可提供+ 5 v ，+ 3 v ，+ 3 3 v 输出电压，还含有+ 1 2 5 v ，+ 2 5 v 基准电源， 均可为其自身或其他电路选用【1 6 1 。a d 4 2 1 采用一d a c 结构，保证1 6 位的分辨率 和单调性。a d 4 2 1 主要由电压调整器、数模转换器和电流放大器组成，其组成结构 如图3 - 3 示。 图3 3 a d 4 2 1 内部结构 电压调整器由一个运放、带隙基准和外接耗尽型f e t 调整管构成，其中f e t 调整管可以使用n d 2 5 d ，n d 2 0 2 0 l 等，电压调整器从电流环中获取电流，并给a d 4 2 1 及其它器件提供电流，l v 脚不同的接法可在v c c 脚生成不同的基准电压【l 引。a d 4 2 1 的接线方法参考数据手册，但外部f e t 调整管组成电流环的连接要注意，连接不 当会烧毁器件，该电流环需要外接2 4 v 电源构成，连接方法会在后面电路设计章 节详细叙述。数模转换器在时钟c l o c k 作用下，输入移位寄存器把d a t a 引脚上的 数据逐位读入，l a t c h 锁存脉冲把寄存器的数据锁存到d a c 中，若在两个锁存脉冲 间隔输入1 6 个c l o c k 时钟周期，就锁存1 6 位数字信号并完成正常的电流转换， 若多于1 6 个时钟周期，只锁存最后输入的1 7 位数据并输出报警电流信号。1 6 位 一d a c 经过调制解调器输出的一串位电流控制切换的电流源，然后经阻容滤波 器送给电流放大器进行精密放大，从而保证输出数字量与对应电流的单调性。 1 7 电子科技大学硕十学位论文 3 3p ci 总线介绍 3 3 1p cl 总线结构 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线即外部设备互连总线。它 是一种即插即用的总线标准，支持全面的自动配置，最大允许6 4 位并行数据传送， 采用地址数据总线复用方式，最高总线时钟可达6 6 m h z ，支持多总线结构和线性 突发( b u r s t ) 传输，最高峰值传输速度可以达到5 2 8 m b s 。p